Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 20

7 июня 2019

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Схема формирования дифференциального сигнала

Исходные данные к расчету представлены в таблице 59.

Таблица 59. Исходные данные к расчету

Описание схемы

Данная схема позволяет преобразовывать однополярный сигнал 0,1…2,4 В в дифференциальный сигнал ±2,3 В (рисунок 69). Диапазоны входных и выходных напряжений могут изменяться с учетом возможностей используемых ОУ.

Рис. 69. Схема преобразования однополярного сигнала в дифференциальный

Рекомендуем обратить внимание:

• ОУ с rail-to-rail-входами и выходами обеспечивают максимальный размах входных и выходных напряжений схемы;
• использование ОУ с низким V_os и минимальным дрейфом смещения уменьшает смещение выходного сигнала;
• для уменьшения погрешности коэффициента усиления следует выбирать более точные резисторы;
• следует работать в линейном рабочем диапазоне напряжений ОУ. Этот диапазон обычно определяется в схеме с разомкнутой обратной связью (AOL);
• для обеспечения стабильности следует использовать резисторы обратной связи с небольшим номиналом и подключать дополнительную емкость параллельно резистору R2.

Порядок расчета

• В качестве сигнала V_o+ используется буферизированный входной сигнал: V_o+ = V_i.
• Инвертируем и сдвигаем сигнал V_o+ с помощью дифференцирующего усилителя. На выходе получаем V_o- (формула 1):

$$V_{O-}=\left(V_{REF}-V_{O+} \right)\times \frac{R_{2}}{R_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

• Выбираем сопротивления таким образом, чтобы шум от резисторов был меньше шума ОУ (формула 2):

$$E_{nv}=30\frac{нВ}{\sqrt{Гц}}\:(шум\:ОУ)\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Если R1 = R2 = R4 = 49,8 кОм, то (формула 3):

$$E_{nr}=\sqrt{\left(\sqrt{4\times kB\times T\times (R_{1}\parallel R_{2}} \right)^2+\left(\sqrt{4\times kB\times T\times (R_{3}\parallel R_{4}} \right)^2}=28.7\frac{нВ}{\sqrt{Гц}} < E_{nv}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

• • Выбираем номиналы входных резисторов R5 и R6. Они служат для защиты ОУ и подтяжки входов. Для простоты задаем равные значения: R5 = R6 = 49,9 кОм.

Моделирование схемы

Передаточная характеристика схемы представлена на рисунке 70.

Рис. 70. Передаточная характеристика схемы

Моделирование в режиме переменных токов (малосигнальный AC-анализ) приведено на рисунке 71.

Рис. 71. Частотная характеристика схемы

Рекомендации

С дополнительной информацией можно ознакомиться в документации к TIPD131.

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 60.

Таблица 60. Параметры ОУ, используемого в расчете

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 61.

Таблица 61. Параметры альтернативного ОУ

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
2. Инвертирующий усилитель
3. Неинвертирующий усилитель
4. Инвертирующий сумматор
5. Дифференциальный усилитель
6. Интегратор
7. Дифференциатор
8. Трансимпедансный усилитель
9. Однополярная схема измерения тока
10. Биполярная схема измерения тока
11. Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)
12. ШИМ-генератор на ОУ
13. Инвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
14. Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
15. Активный полосовой фильтр
16. Однополупериодный инвертирующий выпрямитель
17. Выпрямитель на ОУ
18. Низковольтный выпрямитель с однополярным питанием
19. Ограничитель скорости изменения напряжения

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ